BRPI1102633A2 - dispositivo e mÉtodo para a remoÇço de Íons de um lÍquido polar - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A REMOÇçO DE ÍONS DE UM LÍQUIDO POLAR. Dispositivo (2) para a remoção de íons de um líquido polar (F), por exemplo, água, compreendendo pelo menos um compartimento (14') que compreende pelo menos uma entrada para um fluxo de líquido polar que entra e pelo menos uma saida para um fluxo líquido dejonizada que sai (D), em que dito compartimento (14') um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável que preenche uma zona através de cuja zona um escoamento de líquido é capaz de passar, o dispositivo (2) sendo caracterizado pelo fato de que ele compreende um sensor (1) de pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica. O sensor pode compreender um foto-sensor ou um sensor de tensão mecânica. Preferivelmente um aparelho (100, 10, 11) conectado ao sensor é capaz de analisar essa alteração dimensional e de controlar a corrente elétrica. Método de usar o dito dispositivo (2), pelo qual a corrente elétrica aplicada ao dispositivo (2) é controlada de acordo com a dilatação da resina.

Description

"DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A REMOÇÃO DE ÍONS DE UM LÍQUIDO POLAR"

A presente invenção se refere a um dispositivo e método eletrodeionização (EDI) especializados. Tais dispositivos e métodos são empregados para a produção de um líquido pelo menos parcialmente deionizado a partir de um fluxo de alimentação de líquido polar.

Aqui, "deionizado" significa "deanionizado", "decationizado", ou "completamente deionizado" (ísto é deanionizado e decationizado) seja qual for o grau de deionização que é obtido.

A EDI contínua ou não contínua é conhecida na técnica como um processo que remove, pelo menos parcialmente, espécies ionizadas e ionizáveis de líquidos polares, tais como água, usando meios eletricamente ativos e uma diferença de potencial elétrico para conduzir transporte de íons. A deionização ocorre em pelo menos um compartimento de diluído de EDI, que é um compartimento no dispositivo eletroquímico onde a purificação, ou seja, remoção de contaminantes, ocorre.

A EDI se refere correntemente a técnicas padrão de deionização de água. Seu princípio original, ou seja, o uso de uma resina de troca iônica de leito misto no compartimento de diluído de uma pilha de eletrodiálise, tem sido comercializado pela Millipore Corporation desde 1987.

Geralmente, um módulo de EDI compreende pelo menos um par de eletrodos e compartimentos, que podem ser separados por membranas, o(s) compartimento(s) de diluído sendo preenchido(s) com um material de troca iônica. Tipicamente, os compartimentos são compartimentos alternados de diluído e concentrado e as membranas que separam estes compartimentos são membranas de troca iônica, geralmente membranas alternadas de troca aniônica e catiônica. Compartimentos compreendendo os eletrodos, ou seja compartimentos de eletrodo, podem atuar como compartimentos de diluído ou de concentrado, dependendo do conceito. Os materiais de troca iônica são geralmente materiais de troca catiônica e aniônica na forma de contas (resinas de troca iônica convencionais), pós, fibras (têxteis tecidos ou não tecidos) e blocos porosos. Eles preenchem um certo volume como um leito em um compartimento, e permitem que um fluxo de fluido escoe através do volume de vazio, bem como a corrente elétrica de íons seja conduzida através do material de troca iônica. Eles são geralmente referidos como "resinas".

Diferentes disposições de materiais de troca iônica no compartimento de diluído de uma EDI são possíveis no estado da técnica. A disposição original é um leito misto de resinas de troca iônica. Uma solução alternativa é a alternância de camadas de resinas de troca catiônica e aniônica, chamada de leitos em camadas. O uso de resina de troca catiônica e resina de troca aniônica em compartimentos de diluído completamente separados, eletroquimicamente regeneradas em um modo contínuo, também é conhecido. Em certos esquemas, a solução aquosa de alimentação escoa através dos leitos de resina de troca catiônica e resina de troca aniônica em série e os íons H+ e OH" produzidos, por exemplo nas reações de eletrodos são usados para regeneração de resinas.

Em métodos conhecidos de EDI e dispositivos relacionados com regeneração eletroquímica de material de troca iônica, o escoamento de líquido é alimentado para dentro e escorre para fora de cada compartimento separadamente ou é distribuído entre os compartimentos paralelos de um módulo através do coletor comum colocado fora do compartimento. Líquido típico usado como alimentação é água pré-tratada, tal como permeado de osmose reversa.

Quando uma voltagem elétrica é aplicada entre os eletrodos, a corrente elétrica de íons é conduzida principalmente através deste material de troca iônica. A remoção de íons a partir do fluxo de alimentação é realizada diretamente no material de troca iônica, onde eles são trocados com íons H+ ou OH". Durante a regeneração, íons Hf e OH" gerados, por exemplo, gerado pela dissociação da água eletroquimicamente intensificada, regeneram material de troca iônica correspondente enquanto produz um concentrado como resíduo. Um grau de regeneração específico de resinas é usualmente requerido para proporcionar remoção suficiente de contaminantes iônicos a partir do material de troca iônica e, em caso de aplicação em deionização de água, para produzir água de alta resistividade. Se o grau de regeneração de resinas não é alto o bastante, a resistividade do diluído, isto é, a qualidade da água produzida, vai diminuir.

Em uma vazão e composição, ou seja, concentração de todos os contaminantes, de água de alimentação fixas, o grau de regeneração de material de troca iônica é proporcional à corrente elétrica. Deve-se mencionar que a resina em forma regenerada, ou seja, na forma de íon H+ para resina de troca catiônica e na forma de íon OH" para resina de troca aniônica, intumesce mais fortemente, ou seja, tem mais volume do que em sua forma de sal (original).

Se o compartimento de diluído de um módulo de EDI é completamente preenchido por resina, o aumento do grau de regeneração da dita resina resulta em uma dilatação da resina e uma tensão mecânica sobre as paredes do compartimento. Esta tensão resulta em deformação por compressão sobre os elementos que formam o compartimento, ou seja, ela deforma membranas, armações, distribuidores de escoamento, etc. Isso pode levar a vazamentos internos ou externos. Além disso, a manutenção de uma corrente elétrica a um nível significativamente mais alto do que um suficiente para manter o grau de regeneração requerida iria resultar em consumo excessivo de energia.

Por outro lado, se o grau de regeneração e volume de leito diminuem, então, o compartimento não pode ser preenchido completamente com o leito de resina, e isso pode resultar em um aumento de resistência elétrica na área de vazio, de fluidização do leito de resina e fraca sustentação mecânica das membranas. Todos esses fenômenos não são vantajosos para o desempenho do módulo e seu tempo de vida. Além disso, uma intensidade de corrente elétrica, que não é alta o suficiente para criar uma regeneração suficiente de resinas e remoção de contaminantes, resultaria em uma má qualidade da água produzida.

Assim, para uma operação sustentável e confiável de um módulo de EDI, um ajuste correto da corrente é necessário para evitar os inconvenientes acima mencionados. Usualmente, quando os parâmetros da água de alimentação são

medidos, tais como condutividade e concentrações de CO2 dissolvido e silício para o permeado de osmose reversa, uma corrente elétrica ótima para a EDI pode ser calculada, levando em conta uma vazão fixa. No entanto, as características da água de alimentação pode mudar ao longo do tempo o que pode ser causado pela instabilidade do tratamento a montante ou por alterações da qualidade da água usada pelo sistema. Adicionalmente, a vazão através do aparelho de EDI pode variar durante o tempo de vida do dispositivo. Devido a todas essas possíveis alterações, a corrente elétrica ajustada pode desviar-se daquela ótima e isso pode causar mau funcionamento.

Alguns documentos da técnica anterior apontaram a importância do controle da corrente elétrica em um dispositivo de EDI. Diferentes parâmetros são usualmente monitorados como um sinal para o controle da corrente elétrica. Por exemplo, o pedido de patente US 2004/060823 divulga um

método para controlar automaticamente a corrente elétrica ajustada através de uma unidade de EDI. A carga iônica da água que é alimentada para a unidade é continuamente monitorada medindo-se a condutividade da água de alimentação e usando a saída do medidor de condutividade para ajustar automaticamente a corrente elétrica através da unidade de EDI. A limitação do método é que a medição da condutividade estima apenas o conteúdo de espécies ionizadas e não de moléculas ionizáveis. A concentração de CO2, que é uma molécula ionizável, é usualmente comparável com concentração de íons de sal em uma composição típica de água de alimentação de EDI. Assim, a regulagem da corrente de acordo com este método não é satisfatória.

US 7 264 737 B2 divulga um sistema de tratamento de água, incluindo um analisador de boro. Um controlador responde a uma concentração de boro detectada na água produzida, ajustando a corrente ou voltagem na unidade de EDI e mantendo uma porção de resina de troca iônica no compartimento de diluído em um estado substancialmente regenerado. Porém, analisadores de boro em linha são caros e eles requerem manutenção especial, e assim, seu uso de acordo com esta patente não é uma solução fácil para um especialista na técnica.

Na US 2008/0156710 Al, um aparelho de produção de água com um dispositivo de EDI, compreende meios sensores, que medem a temperatura da água em diferentes estágios do processo, e meios de controle, que controlam uma voltagem aplicada ou uma corrente elétrica fornecida ao dispositivo de EDI com base nestas temperaturas da água. Uma vez que a temperatura não está diretamente relacionada ao nível de contaminantes, o uso da temperatura como parâmetro para a regulagem de corrente atual em EDI não é satisfatório.

Assim, os métodos da técnica anterior para controlar a corrente elétrica em um aparelho de EDI são ou insuficientes, ou desproporcionalmente caros, e uma necessidade de um método simples e confiável para regular a corrente elétrica e manter um grau de regeneração suficiente de material de troca iônica em EDI está presente . Além disso, nenhum destes documentos da técnica anterior considera ou mesmo sugere a dilatação de resina de troca iônica como um parâmetro para controlar a corrente elétrica. A solução aqui divulgada fornece uma maneira simples de controlar a corrente elétrica no dispositivo de EDI. Esta solução para o problema é menos cara e, adicionalmente oferece uma possibilidade de otimizar o consumo de energia (custo de operação) de deionização, ao mesmo tempo promovendo a qualidade necessária da água produzida e evitando danos mecânicos no dispositivo (tais como forte deformação da membrana, ou vazamentos internos ou externos).

Consequentemente e vantajosamente, a presente invenção proporciona dispositivos e métodos que abordam uma ou mais das questões discutidas acima, de uma forma simples, eficiente e efetiva em termos de custo.

A invenção fornece um dispositivo para a remoção de íons de um líquido polar, em que o dispositivo compreende eletrodos, pelo menos um compartimento que compreende pelo menos uma entrada para um escoamento de líquido polar que entra e pelo menos uma saída para um escoamento de líquido deionizado que sai, em que em dito compartimento um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável preenche uma zona através de cuja zona um escoamento de líquido é capaz de passar, o dispositivo sendo caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um sensor de pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica que preenche a dita zona.

O compartimento é geralmente um compartimento de diluído ou compartimento de purificação, porque ele produz um líquido purificado e diluído. Esta zona é uma zona de purificação ou zona de diluído.

Um compartimento é, de acordo com a invenção, composto por uma meio de troca iônica e uma armação que é um elemento de plástico que mantém o meio dentro dela. O compartimento de diluído é um compartimento em que, de acordo com a invenção, existe pelo menos uma zona de diluído em que a deionização pode ter lugar. Um módulo é, de acordo com a invenção, um conjunto de compartimentos e eletrodos.

Se mais de um compartimento de diluído está compreendido no dispositivo, então preferivelmente apenas um compartimento de diluído compreende, de acordo com a invenção, o sensor de pelo menos uma alteração dimensional. O(s) outro(s) compartimento(s) de diluído pode(m) incluir meios para amortecer menos uma alteração dimensional do material de troca iônica preenchendo um setor do referido compartimento. Esses meios são, por exemplo uma mola combinada com um distribuidor de escoamento poroso, ou uma parede flexível situada no interior do dito compartimento, como um amortecedor de dita alteração dimensional. Isso vai diminuir vantajosamente o risco de danificar elementos do referido compartimento de diluído, tais como alojamento, membrana (s) e distribuidor(es) de escoamento. Esses meios de amortecimento vão também vantajosamente fornecer um acondicionamento homogêneo do material de troca iônica dentro de um setor do referido compartimento, com uma densidade adequada e um bom contato com ditos elementos dos compartimentos eles próprios. Eles também vão vantajosamente evitar uma canalização do escoamento, ao mesmo tempo proporcionando boa condutividade elétrica durante um processo de utilização do dispositivo de acordo com a invenção.

O sensor é um elemento capaz de detectar e, preferivelmente detectar e registrar, pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica. O sensor é geralmente um aparelho ou uma peça de um aparelho. A dita alteração dimensional ocorre geralmente em um deslocamento da contorno do material de troca iônica durante o uso do dispositivo em um processo para a remoção de íons de um líquido polar. Dito deslocamento pode ser um deslocamento linear.

As alterações dimensionais do material de troca iônica são principalmente a alteração de volume do referido material no interior do compartimento, causando uma tensão mecânica. Esta alteração de volume depende do teor iônico do material. O volume do material de troca iônica em sua forma regenerada é usualmente maior do que seu volume na forma de sal. Por exemplo, um material de troca catiônica típico compreendendo 8% em peso de agente de reticulação tem um volume 7% maior na forma de íon H+ do que aquele na forma íon Na+. Um material de troca aniônica típico compreendendo 8% do agente de reticulação tem um volume 20% maior em na forma de íon OH" do que na forma de íon Cl".

Quando o material de troca iônica é constituído por contas esféricas rígidas, estas contas alteram seu diâmetro, com relação à sua forma iônica, levando assim a uma alteração correspondente do volume total (três dimensões) do leito formado por essas contas. Por exemplo, se um leito de material de troca iônica preenche completamente um compartimento restrito por todos os lados por paredes, um incremento do volume total do leito irá criar uma tensão mecânica sobre as paredes do compartimento.

O grau de dilatação e a tensão mecânica causados pela resina dilatada é dependente do tipo, do grau de reticulação e do grau de regeneração do material de troca iônica, bem como dos parâmetros geométricos do compartimento e da quantidade de material de troca iônica originalmente colocado neste compartimento. Eles também variam com a temperatura, as propriedades mecânicas das membranas e armações, e outros parâmetros como é conhecido de um especialista na técnica.

Uma localização preferível do sensor é completamente dentro do compartimento onde uma forte alteração de dilatação de resina é esperada.

De acordo com a invenção, a tensão mecânica criada pela dilatação da resina é medida por pelo menos um sensor de tensão mecânica, por exemplo, um sensor piezorresistivo , um sensor magnetorresistivo, ou um sensor magnetoestritivo, preferivelmente montado na armação do compartimento, e é usado como um parâmetro para o controle da corrente elétrica mediante a dilatação da resina, que é uma medida do grau de regeneração. O sinal deste sensor de tensão mecânica é preferivelmente fornecido para um dispositivo eletrônico controlando a corrente elétrica aplicada ao dispositivo de EDI. A medição da tensão mecânica no interior do compartimento é vantajosamente usada para controlar suficientemente a corrente elétrica que deve ser aplicada ao compartimento para produzir água da qualidade requerida, sem danificar o compartimento.

Em uma variante, o sensor é composto por um sensor de tensão mecânica, que é geralmente colocado inteiramente dentro ou em contato com a zona. Por exemplo, o sensor de tensão mecânica é montado na armação do compartimento, por exemplo, sobre uma parede da referida armação. A tensão medida pelo dito sensor é uma soma da pressão hidráulica da água dentro do compartimento e uma tensão adicional criado mecanicamente pelo material de resina de troca iônica que intumesce.

O sensor de tensão mecânica também pode incluir um sensor piezorresistivo , um sensor magnetorresistivo, ou um sensor magnetoestritivo, ou de um outro tipo tal como é conhecida de um especialista na técnica como um transformador diferencial linear variável. O sensor de tensão mecânica geralmente determina a posição do contorno do material de troca iônica, e é capaz de gerar um sinal em relação com esta posição. A saída do sinal do sensor é normalmente usada como um parâmetro para o controle da corrente elétrica.

O sensor de tensão mecânica pode ser usado em relação com os membros suporte apoio, tais como molas e placas, proporcionando uma melhor precisão da medição da tensão mecânica. Em uma modalidade preferida, a posição do contorno do material de troca iônica é fixada por uma placa, suportada geralmente por uma mola. Em outra modalidade, o sensor de tensão mecânica é uma peça móvel, por exemplo, uma haste, impulsionada pelo material de troca iônica, e esta peça móvel é conectada mecanicamente com uma peça móvel de um potenciômetro que regula a corrente elétrica.

De acordo com a invenção, o sensor pode incluir um foto- sensor, geralmente colocado fora do compartimento.

De acordo com uma implementação preferida, o sensor é composto por um foto-sensor, que compreende um elemento mecânico, geralmente colocado dentro ou em contato com a zona, e um fotodetector do deslocamento do referido elemento mecânico que compreende um transceptor, colocado geralmente fora do compartimento, e em que o compartimento em torno do elemento mecânico tem pelo menos uma parede (ou janela) transparente de modo que o sinal óptico do transmissor para o receptor pode cruzar dito compartimento adjacente ao elemento mecânico.

A descrição não é limitada ao tipo de dispositivo (projeto de sensor, módulo, etc), nem aos membros de suporte (mola, conectores, etc) se for o caso, nem ao tipo de sensor. O controle de corrente elétrica descrito aqui pode ser aplicado a diferentes conceitos de dispositivos de EDI (com leito misto, com leitos separados ou em camadas, etc), e utilizando diferentes materiais de troca iônica no dispositivo (leito de contas de resina, blocos de troca iônica, etc). A transmissão do sinal do sensor para o controlador, bem como do controlador para a fonte de potência da EDI pode ser feito por meio de fios, bem como por diferentes tecnologias sem fio. A regulagem da corrente elétrica também pode ser feita em relação à dilatação do material de troca iônica em um compartimento concentrado e/ou em um compartimento do eletrodo, se tal medida é considerada mais vantajosa para certas configurações de EDI.

De acordo com a invenção, o dispositivo também pode compreender um outro sensor, geralmente diferente do sensor de acordo com a invenção, que é capaz de medir a pressão hidráulica do escoamento de líquido que pode circular através da zona (e somente esta pressão hidráulica). Se o sensor de acordo com a invenção reage a tanto a tensão mecânica criada pelo material de troca iônica dilatado quanto à pressão hidráulica do líquido, medidas adicionais da pressão hidráulica do líquido polar devem ser deduzidas a partir das medições realizadas pelo sensor de acordo com a invenção. Assim medições mais precisas das alterações dimensionais do material de troca iônica podem ser obtidas.

O sensor de acordo com a invenção é usualmente capaz de medir a pressão hidráulica do líquido dentro do compartimento e as alterações dimensionais do material de troca iônica, enquanto o outro sensor é capaz de medir a pressão hidráulica do líquido dentro do compartimento. Por exemplo, se um outro sensor monitora a pressão a jusante do compartimento, e se o sensor de acordo com a invenção dentro do compartimento monitora a tensão, as medições desses dois sensores podem ser usadas para calcular a tensão mecânica causada pelo material de troca iônica . No caso da pressão manométrica a jusante do dispositivo estar perto de zero (por exemplo escoamento para um tanque a pressão atmosférica), as medições da tensão em um sensor colocado próximo à saída do compartimento, por exemplo, um compartimento de diluído, podem ser consideradas como a medição da tensão mecânica devida a alterações dimensionais do material de troca iônica neste compartimento. Também no caso de uma pressão constante de líquido ser fornecida em ampla faixa de vazões, por exemplo, usando um regulador de pressão ou uma válvula de retenção, o monitoramento adicional desta pressão hidráulica geralmente não é necessário e um valor pré-definido e constante de pressão hidráulica é usualmente subtraído das medições do sensor no interior do compartimento, para deduzir a tensão mecânica da dilatação da resina.

Em uma variante, o dispositivo de acordo com a invenção compreende um aparelho conectado ao sensor e, preferivelmente, este aparelho conectado ao sensor é capaz de analisar a alteração dimensional do material de troca iônica e para controlar a corrente elétrica conduzida através dito compartimento ou através do dispositivo. A invenção também compreende um método para a remoção de íons de um líquido polar em que pelo menos uma parte do referido líquido polar passa como um fluxo através de um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável localizado em um compartimento onde um campo elétrico é aplicado de modo que os íons a serem removidos migram,

o método compreendendo uma etapa de controlar a corrente elétrica conduzida através de dito compartimento,

o método sendo caracterizado pelo fato de que ele inclui uma etapa de medir pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica e em que a etapa de controlar a corrente elétrica leva em conta esta alteração dimensional do material de troca iônica.

A etapa de controlar a corrente elétrica é pelo menos relacionado com a corrente elétrica no compartimento, mas ela também pode controlar a corrente no dispositivo em que o compartimento está compreendido.

Em uma modalidade, a migração dos íons a serem removidos é preferivelmente em uma direção oposta ao escoamento do fluxo através do dito de troca iônica material. Assim, o escoamento de líquido usado para remoção de íons pode ser dirigido em oposição, ou seja em contracorrente, da migração de íons dentro do material de troca iônica. Os íons correspondentes provenientes do fluxo de alimentação serão removidos por troca iônica, vão a migrar adicionalmente dentro do material de troca iônica e serão finalmente liberados no eletrodo para um fluxo de concentrado indo para rejeição.

O material de troca iônica é em geral regenerado eletroquimicamente de maneira contínua. Assim, os íons provenientes do fluxo de alimentação podem ser continuamente trocadas e um escoamento substancialmente livre dos íons de sal correspondentes é obtido.

O grau de regeneração do dito material é usado como um parâmetro para controlar a corrente elétrica, mediante a alteração do volume do dito material.

As características do líquido polar podem se alterar ao longo do tempo por causa da instabilidade do tratamento a montante (por exemplo efeito da temperatura, formação de casca, incrustação ou envelhecimento) ou por alterações da qualidade da água utilizada pelo sistema (alteração de fonte pelo fornecedor de água, alterações sazonais , etc.) Também a vazão através da EDI pode variar durante a vida útil do módulo. Vantajosamente, o método da invenção dá um método de que opera com todas essas alterações de condições com um bom nível de controle da corrente elétrica. Líquido típico usado como líquido polar é água pré-tratada, tal

como permeado de osmose reversa, nanofiltração ou ultrafiltração.

O princípio dos métodos e dispositivos da presente invenção usados para remover componentes iônicos e ionizáveis de um líquido polar pode ser aplicado não só para soluções aquosas de eletrólitos, mas também para soluções em outros solventes polares ou em misturas água/solvente polar.

Preferivelmente, a tensão mecânica máxima permitida que determina o valor máximo de corrente elétrica para o dispositivo de EDI é definida experimentalmente para cada projeto de dispositivo de EDI. Se este máximo for atingido, o controlador irá diminuir a corrente elétrica conduzida através do compartimento de evitar dilatação excessiva da resina e subseqüentes deformação na armação e nas membranas. Isto vai diminuir os riscos de possíveis vazamentos e o consumo de energia do compartimento. Um limite inferior de tensão mecânica pode também ser estabelecido para restringir a corrente elétrica. Por exemplo, se a relação entre a forma de sal e a forma regenerada da resina diminui, as contas de resina se encolhem e a tensão mecânica recebida pelo sensor pode desaparecer. Neste caso, o controlador deve aumentar a intensidade da corrente elétrica para chegar a um valor acima do valor mínimo estabelecido. O período de tempo entre as alterações de corrente elétrica e a dilatação da resina deve ser levado em conta pelo controlador. O sistema pode levar um longo tempo para chegar a um estado estável, onde a dilatação da resina corresponde a uma nova corrente aplicada, e esse fato deve ser considerado no controle da corrente elétrica. Os detalhes dos algoritmos de controle (regulagem) e comunicação entre o sensor, o controlador e a fonte de alimentação de potência não são descritos em detalhes aqui e são facilmente acessíveis para um especialista na técnica.

No entanto, modos possíveis de regulagem de corrente são descritos aqui, sem especificar os detalhes dos algoritmos.

A dilatação do leito de resina no dispositivo de EDI é medida com certos intervalos pré-definidos. O tempo entre as medições deve ser selecionado de acordo com o projeto de dimensões do módulo, bem como as condições operatórias. Ela pode durar de desde uns poucos minutos até algumas horas de operação. Preferivelmente várias medições são feitas e uma medição média é calculada e considerada.

Uma certa faixa de dilatação de resina, registrada por um sensor, é definida como uma "faixa ótima", onde nenhum ajuste é feito e o módulo está funcionando em corrente elétrica constante.

Há duas faixas de dilatação "aceitável" fora desta faixa ótima, onde a corrente elétrica é regulada. Se a dilatação é menor do que o que está na faixa ótima, a corrente elétrica deve ser aumentada. O incremento de aumento de corrente pode ser pré-determinado ou ele pode depender da diferença entre o valor medido da dilatação e o valor ótimo correspondente predefinido, por exemplo, o incremento vai aumentar proporcionalmente a esta diferença. O tempo entre o momento em que a corrente elétrica é alterada e quando uma próxima medição de dilatação é levada em conta pode ser fixo ou ele pode variar, por exemplo, dependendo incremento da intensidade da corrente elétrica. Se a dilatação está em um "nível aceitável", mas superior à faixa ótima, a corrente elétrica deve ser diminuída de uma maneira semelhante à maneira descrita acima.

Uma dilatação para fora das faixas ótima e aceitável é indesejável. Quando a dilatação da camada de resina é inaceitavelmente baixa, isso pode levar a um declínio da qualidade da água produzida. Quando a dilatação do leito de resina é inaceitavelmente alta, isso pode levar a um consumo de energia ineficiente e possíveis vazamentos. Se a dilatação é inaceitavelmente baixa, a corrente elétrica pode ser ajustada a um valor máximo, por exemplo, a um valor pré-defmido ou a corrente a mais alta disponível para a alimentação de potência, visando facilitar regeneração da resina e aproximação da dilatação de resina para a faixa ótima. Se a dilatação é inaceitavelmente alta, a corrente elétrica pode ser ajustada a um valor mínimo, por exemplo, a um valor pré-definido ou desligamento completo da alimentação de potência. A dilatação na faixa inaceitável deve ser continuamente monitorada até os valores medidos se moverem para a faixa aceitável ou ótima.

De acordo com a invenção, a etapa de medir a alteração dimensional do material de troca iônica é realizada por meio de um sensor.

Em uma modalidade, o sensor compreende um foto-sensor.

Em uma modalidade preferida, independente ou não da modalidade anterior, o sensor compreende um sensor de tensão mecânica.

A invenção também descreve um método que compreende ainda uma etapa de medir a pressão hidráulica do escoamento do fluxo que passa através do material de troca iônica.

Preferivelmente, a etapa de controlar a corrente elétrica leva em conta a alteração dimensional do material de troca iônica, sem a influência da pressão hidráulica do escoamento de fluxo.

Como uma variante, o escoamento de fluxo é regulado por ajuste hidrodinâmico da queda de pressão no fluxo que sai.

A presença de uma membrana de troca iônica é opcional. O fato de que, opcionalmente, há um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável colocado no compartimento não significa necessariamente que este material preenche completamente este compartimento. Este material geralmente preenche uma zona no compartimento, por exemplo uma zona compreendida entre duas membranas de troca iônica, ou entre um eletrodo e uma membrana de troca iônica. Em qualquer caso, o material de troca iônica preenche esta zona geralmente como um leito fixo de material de troca iônica.

A resistência hidrodinâmica do dispositivo, correspondendo à diferença de pressão entre os escoamentos líquido que entram e que saem, está estreitamente ligada ao projeto aparelho, como é conhecida de um especialista na técnica.

De acordo com a invenção, um dispositivo contendo um material de troca aniônica, como descrito acima, pode ser usado para remoção eficiente de ânions de sal presentes no fluxo de alimentação. Ele é também capaz de remover ácidos fracamente dissociados presentes na forma de moléculas não dissociadas, tais como ácido carbônico (ou CO2), ácido silícico, ácido bórico, etc.

De acordo com a invenção, um dispositivo cheio de troca catiônica material, como descrito acima, pode ser usado para remoção eficiente de cátions de sal presentes no fluxo de alimentação. Ele é também capaz de remover bases presentes na forma de moléculas não dissociadas, tais como NH4OH (ou NH3), aminas, etc

O dispositivo descrito abaixo pode ser usado para a remoção de ácidos ou bases de um líquido polar, ou para a produção de bases ou ácidos a partir de sua solução aquosa de sal, trocando íons correspondentes por íons OH" ou H4". O material de troca iônica regenerável normalmente é um leito de uma resina de troca iônica. Mais geralmente, materiais de troca iônica convencionais são contas de resina, contas de alta malha de resina de troca iônica, resina em pó, bem como trocadores de íons fibrosos ou porosos. Eles podem ser fornecidos como leitos ou blocos.

Para a remoção tanto de cátions quanto de ânions, ou seja, para deionização completa, uma solução é o uso de dois dispositivos em série, um cheio com material de troca catiônica e o outro cheio com material de troca aniônica. Neste caso, uma seqüência preferível de dispositivos em série deve ser definida considerando os tipos de contaminação. Para contaminantes típicos de águas naturais ou tratadas (por exemplo por osmose reversa), a seqüência material de troca catiônica - material de troca aniônica é usualmente vantajosa, mas não se limita a ela. Se desejado, ambos os dispositivos podem ser integrados dentro de um alojamento, sem estar fora do escopo da invenção.

Uma outra solução, vantajosamente usada para deionização completa de acordo com a invenção, consiste no uso de um dispositivo com escoamento de líquido direcionado em contracorrente com a eletro-migração dos íons no interior do material de troca iônica, em que um eletrodo bipolar ou uma membrana de troca iônica, preferivelmente uma membrana bipolar, é utilizado para a formação de íons H+ e OH" em regeneração. O uso de uma membrana bipolar é vantajoso, num caso em que o líquido polar é uma solução aquosa, pois ele resulta apenas em dissociação de água eletroquimicamente intensificada em íons Hf e OH" sem formação de gases e outros subprodutos como ocorre com eletrodos.

As técnicas da presente invenção serão prontamente entendidas considerando a seguinte descrição detalhada em conjunto com os desenhos anexos, no caso de uma solução aquosa a ser deionizada, em que:

A figura 1 é uma representação esquemática do método de acordo com a invenção usando qualquer dispositivo de deionização de acordo com a invenção.

A figura 2 é uma representação esquemática de uma primeira implementação de um dispositivo de deionização de acordo com a invenção.

A figura 3 é uma representação esquemática de uma segunda implementação de um dispositivo de deionização de acordo com a invenção, quando o compartimento está cheio de contas de resina,

A figura 4 é uma representação esquemática da segunda implementação do dispositivo deionização de acordo com a invenção, quando o compartimento está cheio de contas de resina, e uma tensão mecânica é transmitida para a armação,

A figura 5 é uma representação esquemática da segunda implementação do dispositivo deionização acordo com a invenção, quando o compartimento não está completamente cheio de contas de resina.

A figura 6 é uma representação esquemática de uma terceira implementação de um dispositivo de deionização de acordo com a invenção.

Para facilitar a compreensão, números de referência idênticos foram utilizados, quando possível, para designar elementos idênticos que são comuns às figuras. Os desenhos não estão à escala e as dimensões relativas dos vários elementos nos desenhos são representadas esquematicamente e não em escala.

Em todas as figuras, o compartimento é definido por sua

armação.

A figura 1 é uma representação esquemática do método de acordo com a invenção de um dispositivo de EDI 2 de acordo com a invenção.

Os dispositivo 2 pode ser utilizado para a remoção de ânions ou para a remoção de cátions, bem como para deionização completa de acordo com o método da invenção. O escoamento de líquido polar que entra (seta F) penetra no dispositivo 2 através da entrada 4. O escoamento de líquido deionizado ou diluído (seta D) passa para fora do dispositivo 2 através da saída 6. O escoamento de concentrado (seta C) pode sair pela saída 5. Duas placas de extremidade 7 e 8, cada uma compreendendo um eletrodo, definem um módulo (7, 8) de compartimentos (9, 14'), todos os compartimentos 9 e 14' sendo preenchidos com material de troca iônica (não mostrado) e empilhados pelas placas de extremidade 7 e 8. O compartimento 14' é idêntico a qualquer outro compartimento 9, exceto que um sensor de tensão mecânica Γ é colocado dentro dele, preferivelmente em uma parede e perto da saída 6. Este sensor de tensão mecânica Γ mede a dilatação da resina, e fornece um sinal transmitido a um dispositivo eletrônico ou controlador de 10 via um aparelho 100, que é um aparelho transmissor de quantidade (QT). Isto permite um controle da corrente elétrica aplicada ao dispositivo de EDI 2, por meio de uma alimentação de potência 11. A corrente elétrica é conduzida a partir da alimentação de corrente 11 para o dispositivo de EDI 2 através dos fios elétricos 12 e 13.

De acordo com a invenção, seria possível ter um sensor 1' em mais de um compartimento.

A interdependência de intensidade de corrente elétrica e dilatação da resina pode ser apresentada da seguinte forma: um aumento da corrente elétrica através do dispositivo de EDI 2 implica um aumento do grau de regeneração da resina. Este aumento do grau de regeneração da resina implica um aumento do intumescimento da resina dando origem a dilatação mais intensa da dita resina. O controle de acordo com a invenção é baseada na medição dessa dilatação do leito de resina no interior do dispositivo de EDI, e atua sobre a intensidade da corrente elétrica.

A figura 2 é uma representação esquemática de uma primeira implementação de um dispositivo de EDI 20 de acordo com a invenção. Apenas uma parte deste dispositivo 20 é representada. Este dispositivo 20 compreende uma armação 14 definindo um compartimento 14 e um eletrodo de móvel de escoamento passante 15. O compartimento 14 é um compartimento de diluído, completamente preenchido com um material de troca iônica, que é mostrado como um leito de uma resina 17. O escoamento de líquido polar entra no compartimento 14 pela entrada 4 (seta F). Há uma saída 5 para o líquido que sai que enxágua o eletrodo 15 (seta C). O escoamento de líquido é direcionado em contracorrente com a eletro- migração de íons no interior do material de troca iônica 17. Um sensor 1, inteiramente colocado em uma zona Z2o do compartimento 20, compreende uma mola 3 presente entre o eletrodo móvel 15 e o sensor de tensão mecânica 16. Este sensor de tensão mecânica 16 é fixado perpendicularmente e conectado a um fio de 26 conectado ao controlador (não representados). Nesta representação, a mola 3 empurra o eletrodo 15 de modo que este eletrodo 15 fica em contato com o material de troca iônica 17. Se o material de troca iônica-17 dentro do compartimento de 14 altera a dilatação por intumescimento, o eletrodo 15 vai se mover e a tensão transmitida ao sensor 16 vai se alterar. Isto levará a uma detecção desse movimento e uma estimativa do grau de regeneração da resina. A mola 3 transmite a tensão mecânica do eletrodo 15 para o sensor de tensão mecânica 16.

Por exemplo, se o volume da resina diminui, o eletrodo 15 será movido pela mola 3 em direção à resina 17. Assim, a tensão mecânica transmitida através da mola 3 para o sensor 16 será reduzida.

No caso da menor tensão mecânica ajustada ser aproximada, o controlador pode aumentar a corrente elétrica a fim de aumentar o grau de regeneração da resina 17 cujo volume vai aumentar.

Esta configuração permitirá usar um material de troca iônica com um baixo grau de reticulação, o que usualmente revela uma dilatação mais intensa por intumescimento. As figuras 3, 4 e 5 são representações esquemáticas de uma segunda implementação de um dispositivo de deionização 22 (parcialmente mostrado) de acordo com a invenção.

O dispositivo 22 compreende um compartimento 14' definido por sua armação, preenchido por um material de troca iônica 17' como um leito de contas de resina. O sensor 1', de acordo com a invenção, é colocado inteiramente dentro de uma zona Z do compartimento 14'. O sensor Γ compreende uma mola 3', uma barra porosa 18, que é um distribuidor de escoamento, e um sensor de tensão mecânica 19, na forma de um elemento em T. Esta barra porosa 18 confina o leito da resina 17' a partir de um lado do compartimento 14'. O fluxo em escoamento escoa através do leito de contas 17' distribuídas uniformemente no interior do compartimento 14', passa através da barra porosa 18, e sai (seta F') do compartimento 14' pela saída 5' a montante da barra porosa 18. O sensor de tensão mecânica 19 é fixado sobre a barra 18 cujos movimentos são transmitidos pela mola 3' a partir do lado oposto ao leito de resina 17'. A barra porosa 18 pode ser de material plástico de certa elasticidade.

No caso da figura 3, as condições em termos de corrente elétrica são normais. A dilatação da resina é normal: ela está dentro de uma "faixa ótima". Esta é uma operação de estado estável, e a corrente elétrica é constante.

Em caso de dilatação excessiva do material de troca iônica mostrado na figura 4, uma tensão mecânica será transmitida para a barra 18, que é ligeiramente deformada e transmite uma tensão mecânica para o sensor 19. Deformação é detectada. No entanto, a dilatação da resina ainda está dentro da "faixa aceitável", e a corrente elétrica é reduzida. Se a dilatação da resina entra em um valor fora da faixa aceitável, a corrente elétrica vai ser desligada.

A figura 5 é uma outra representação esquemática da segunda implementação do dispositivo de deionização de acordo com a invenção. A diferença com as figuras 3 e 4 é que o compartimento de 14' não é completamente preenchido com contas de resina. Um leito de contas 17' compreende uma zona Z', que não é completamente preenchida com contas. Esta zona Z1 pode representar a zona superior de um leito fluidizado das contas. Ela é uma zona de resistência elétrica aumentada. Nenhuma tensão mecânica é transmitida para o sensor Γ e a corrente elétrica precisa ser aumentada.

A figura 6 é uma representação esquemática em perspectiva de uma terceira implementação do dispositivo de deionização 27 de acordo com a invenção, onde apenas um compartimento 14" é mostrado. O compartimento 14" é representado muito esquematicamente, a fim de mostrar como um foto- sensor é implementado de acordo com a invenção.

Neste caso, um sensor 1' de acordo com a invenção compreende um foto-sensor, que compreende um transmissor de sinal óptico ou luz 23 (como representado na figura 6, na frente do compartimento 14"), um receptor 24 (como representado na Figura 6, atrás do compartimento 14"), e um analisador 25, que é conectado a tanto o transmissor 23 quanto ao receptor 24. O analisador 25 é conectado a um controlador (não mostrado). A mola 3 é fixada entre o compartimento 14"e uma placa móvel 18". A placa móvel 18" é considerada aqui como uma parte do sensor 1". O material de troca iônica 17", na forma de contas de resina, é fornecido como um leito no compartimento 14". O leito de contas 17" preenche o compartimento sob a placa móvel 18" que fixa a posição do leito de resina 17" no interior do compartimento 14". Uma membrana de troca aniônica-26 e uma membrana de troca catiônica 27 definem duas paredes laterais do compartimento 14", respectivamente, a parede da direita e da parede esquerda, como representado na figura 6. A placa móvel 18 " é detectável através da janela transparente 28. A janela transparente 28 faz parte da parede frontal (como representada na figura 6) do compartimento 14". O foto-sensor (23, 24, 25) é colocado fora do compartimento 14". Ele é capaz de detectar pequenas alterações da posição da placa 18", correspondendo às alterações dimensionais do volume da resina 17", tornando possível controlar a corrente elétrica. O fluxo de escoamento (seta F) escoa através do leito de contas 17" uniformemente distribuídas no interior do compartimento 14", passa através da barra porosa 18", e sai (seta F') do compartimento 14" por uma saída 5'.

Claims (12)

1. Dispositivo (2, 20, 22, 27) para a remoção de íons de um líquido polar (F), em que o dispositivo compreende eletrodos, pelo menos, um compartimento (14, 14', 14"), que compreende pelo menos uma entrada (4) para um fluxo de líquido polar que entra (F) e pelo menos uma saída (5) para um fluxo líquido deionizado que sai (D, F '), em que em dito compartimento (14, 14', 14"), um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável (17, 17', 17") preenche uma zona através de cuja zona um escoamento de líquido é capaz de passar, o dispositivo (2, 20, 22, 27) sendo caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um sensor (1, Γ; 1") de pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica (17, 17', 17") preenchendo dita zona.

2. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de acordo com a reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o sensor (1") compreende um foto- sensor (23, 24, 25).

3. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o sensor (1, 1') compreende um sensor de tensão mecânica (16, 19).

4. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o sensor (1") compreende um foto-sensor que compreende um elemento mecânico (18") e um fotodetector (23, 24, 25) do deslocamento do dito elemento mecânico que compreende um transceptor (23, 24), e em que o compartimento (14") em torno do elemento mecânico (18") tem pelo menos uma parede transparente (28), de modo que o sinal óptico proveniente do transmissor (23) para o receptor (24) pode cruzar dito compartimento (14") adjacente ao elemento mecânico (18").

5. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende um outro sensor que é capaz de medir a pressão hidráulica do fluxo de líquido que pode circular na zona.

6. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende um aparelho (10, 11, 100) conectado ao sensor e, preferivelmente , este aparelho (10, 11, 100) é capaz de analisar a alteração dimensional do material de troca iônica e de controlar a corrente elétrica que pode ser conduzida através de dito compartimento ou através de dito dispositivo.

7. Método para a remoção de íons de um líquido polar (F) em que pelo menos uma parte de dito líquido polar (F) passa como um fluxo através de um material de troca iônica eletroquimicamente regenerável (17, 17 ', 17") localizado em um compartimento (14, 14', 14"), onde um campo elétrico é aplicado de modo que os íons a serem removidos migram, o método compreendendo uma etapa de controlar a corrente elétrica conduzida através do dito compartimento (14, 14 14 "), o método sendo caracterizado pelo fato de que ele inclui uma etapa de medir pelo menos uma alteração dimensional do material de troca iônica (17, 17 17 ") e em que a etapa de controlar a corrente elétrica leva em conta esta alteração dimensional do material de troca iônica (17, 17', 17").

8. Método de acordo com a reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a etapa de medir a alteração dimensional do material de troca iônica (17, 17', 17") é realizada por meio de um sensor (1, 1', 1").

9. Método de acordo com a reivindicação precedente, em que o dito sensor (1") compreende um foto-sensor(23, 24, 25).

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o dito sensor compreende um sensor de tensão mecânica (1, 1', 18 ").

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa de medir a pressão hidráulica do escoamento do fluxo que passa através do material de troca iônica (17, 17', 17").

12. Método de acordo com a reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a etapa de controlar a corrente elétrica leva em conta a alteração dimensional do material de troca iônica (17, 17 17 "), sem a influência da pressão hidráulica do escoamento do fluxo.